LNG卫星站冷能制冰与发电工艺模拟分析

孟 龙, 卢朝霞，黄福川, 黄伊琳，刘宇恒

（广西大学化学化工学院，广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室， 广西 南宁 530004）

LNG卫星站冷能制冰与发电工艺模拟分析

孟 龙, 卢朝霞，黄福川, 黄伊琳，刘宇恒

（广西大学化学化工学院，广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室， 广西 南宁 530004）

因为LNG存在着丰富的压力火用与低温火用，为了能够充分利用所存在的各种形式的火用，提高能源的利用率，所以选择比较合适的冷能利用方式进行设计，并且通过HYSYS软件进行模拟计算。结果表明对于气化量10×104(m3/d)的LNG气化站全年的制冰量0.11亿t，全年发电量功率约为5.92×104kW，压缩机的耗功率为5×104kW，年产值达1.1亿元，经济效益显著。

LNG卫星站；制冰；发电；HYSYS

LNG（liquefied natural gas）是天然气经过脱水、脱硫与低温技术液化处理而成的无色、无味、无毒且透明的低温液体混合物，其存储的温度约为-162 ℃，主要成分是甲烷。生产1 t LNG需要耗电量850 kW·h。当LNG在1 atm压力下气化时，温度由-162℃上升到5 ℃释放的冷量约为230 kW/t[1]。传统的工艺是将LNG直接加热或者是和海水换热的方式将LNG加热到5 ℃以上，这不仅造成大量的能源浪费而且引起冷污染。LNG卫星站是小型的LNG气化站和接收站，是用来接收来自沿海地区液化天然气以及气化后供工业用户、商业用户和居民使用的二级气源站[2]。对于气化量为10×104m3/d的小型LNG卫星站，可利用的冷功率将近1 MW，每年可节约电能约数百万度[3]。LNG冷能利用的研究已经涉及到发电[4]，空分[5]，低温粉碎[6]，冷库[7]，空调[8]等等。王静玲[9]等提出冷能用于制冰工艺的流程图, 况岱坪[10]等对制冰工艺做了优化，但是LNG-162 ℃超低温与制冰需要的温位不匹配，并且LNG本身存在的压力火用都被浪费，所以有必要更进步一步的研究，怎样合理的利用LNG的压力火用与低温火用，提高能源的利用率。

1 LNG卫星站

由于我国大力开发和引进天然气启动的较晚，天然气在我国终端能耗的比例为4.8%，远远低于世界平均水平24%。随着北方地区雾霾肆虐，空气污染越发严重，治理空气污染已经到了刻不容缓的地步，而造成环境污染关键因素之一就是煤炭石油燃料的使用。而最近的《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》中把天然气到2020年的所占一次能源比例提高到10%以上。随着国家经济的快速发展，国家城市化的进程加快，中小城市得到了快速的发展，而城市燃气是城市的重要基础设施和现代化的重要标志，随着国家天然气的深入推广，LNG每年的进口量和生产量的不断增加，而作为中小城市燃气供应中心的LNG的卫星站也得到的广泛的发展，据统计我国已建成的卫星站多达200多个,是城镇液化天然气供应的主要站场，承担着存储上游LNG的气化供给下游用户使用的作用。

LNG卫星站是一种小型的LNG接收和气化站[11],建设具有以下特点：LNG 卫星站建站投资规模小；可以和天然气输气管道相互配合以解决LNG卫星站的调峰问题；建站周期短，若需建成一定规模的LNG 卫星站大约用半年时间便可；同时，LNG卫星站的建站投资较少，相对于城镇的管网输送，能节约1/ 3 以上的建设投资[12]。

1.1 卫星站一般工艺

卫星站工艺流程图见图1。

图1 卫星站工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of LNG satellite station

卫星站中的LNG被送入LNG泵中，加压后送入空温式汽化器中，加热到5 ℃送入下游天然气管网，如果空温式汽化器无法满足时，LNG通过水浴式气化器换热，最终LNG储存的低温火用完全浪费到空气中。

1.2 LNG卫星站冷能利用方案的选择

LNG卫星站相对于大型LNG气化站气化量相对较少，但是直接面对下游用户，可以直接提供冷能附加产品给下游用户，所以包括LNG发电，制冰，冰蓄冷空调，冷冻仓库等等。由于随着国家经济的发展，用电量势必每年都会高速的增加，而膨胀发电也可以削减用电量的峰谷差，同时市场对于冰需求量大，广泛用于超市的保鲜，冷冻冷藏，医疗，化工，食品等各个行业，因此具有良好的市场前景。本工艺选择膨胀发电与制冰工艺相结合的方式，不但能利LNG存在的低温火用而且也不浪费LNG中可观的压力火用，使经济效益最大化。

2 LNG用于制冰方案的设计与分析

2.1 工艺流程图

图2是LNG冷能利用流程图，LNG从储罐出来，经LNG泵1加压到3 MPa后分成两股，一股经空气加热型汽化器5加热汽化，然后经过调压阀10调压进入燃气管网。另一股经过LNG换热器后进入空气加热型汽化器4汽化后温度升高到15 ℃，在进入透平机7膨胀发电，温度降低-68 ℃，通过制冰设备15b升温，在通过空气加热型汽化器5加热，经调压阀10调压进入燃气管网。

图2 LNG 卫星站冷能利用工艺Fig.2 The Use of Cold Energy in the LNG Satellite Station

在LNG换热器11中与LNG换热后的R410a进入12冷媒储液罐中经15制冰设备后气化成气体，释放冷量。当夏季用气量不足，电压缩机可提供动力，驱动制冰流程，这样可以缓解夏季需冰量多，可利用的LNG冷量少的矛盾。

本工艺流程的创新之处是同时利用LNG的低温火用与压力火用，在LNG换热后直接膨胀发电后，又产生了低温的LNG同时用做制冰工艺，这样配合前部分的制冰工艺，使制冰的产能增加。夏季用气量不足时，可以靠冷能发电驱动电压缩机带动制冷流程增加夏季的产冰量，从而消除夏季的产冰量不足的问题。

2.2 模拟计算

采用HYSYS软件进行模拟计算。

图3 HYSYS计算模拟工艺流程图Fig.3 Process simulation of the HYSYS

模拟LNG卫星站的供气能力为10×104（m3/d）。LNG的组分中，各物质的质量分数为：甲烷83.28%，乙烷12.04%，丙烷3.16%，异丁烷0.53%，正丁烷0.69%，异戊烷0.04%，氮0.26%。LNG的温度一般为-159 ℃，压力为0.2 MPa，汽化后输入管网的温度15 ℃。LNG泵的效率为75%，膨胀机的效率70%，压缩机的效率35%。根据文献[13]LNG膨胀发电的温度-68 ℃。HYSYS软件的计算工艺流程（见图3）。

分别取5×104与10×104气化量作为夏季与冬季的气化量,并且冬季只由LNG的冷能制冰，而不启动压缩机提供动力(表1)。在夏季用气量不足时，LNG 存在的冷能不足时，可以由压缩机提供动力。

表1 工艺关键运行参数模拟Table 1 Simulation result of process key operating parameters

从以上结果可以看出对于每天的气化量分别为5×104m3和10×104m3的气化站冰量与电量如表2所示。

通过以上工艺对于气化量为10×104(m3/d)的LNG气化站全年的制冰量达0.11亿t，按照10元/t的价格，则年制冰产值约1.1亿元，压缩机的耗功率50 000 kW，驱动电压缩机后，发电量仍有结余可以为供给日常用电。

表2 模拟结果处理Table 2 The simulation results kW

3 结束语

（1）通过制冰工艺与发电工艺分别利用LNG存在的冷能和压力能，大大提高了能源的利用率。

（2）利用发电产生的电能配合电动压缩机驱动制冰流程，来解决因季节性因为用气量不足引起的制冰量减少的问题。

（3）制冰工艺年产值达1.1亿元，经济效益显著，具有良好的市场推广性。

［1］李静,李志红,华贲.LNG冷能利用现状及发展前景[J].天然气工业,2005,25(5):103-105.

［2］李悦敏,丁国玉,张兆铅.LNG卫星站的冷能利用[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版).2009 (03): 61-64.

［3］华贲，熊永强．中国LNG冷能利用的进展和展望［J］．天然气工业，2009，29（5）：107-111.

［4］孙宪航，陈保东，王雷，等.以太阳能为高温热源的LNG卫星站冷能发电系统［J］．天然气工业，2012，32（10）：103-106．

［5］ 沈崴，孙荣泽，汤柯，等.基于卫星站冷能利用的小型空分流程［J］．浙江大学学报，2013，47（3）：449-553．

［6］ 崔国彪，刘阳，安海燕，等.利用LNG冷能粉碎废旧橡胶工艺［J］．天然气与石油，2013，31（2）：449-553．

［7］吴集迎,马益民,陈仕清，等.LNG冷能用于冷库的系统设计及分析［J］．集美大学学报，2010，15（1）：44-47．

［8］陈秋雄， 徐文东， 陈 敏, LNG 冷能用于冰蓄冷空调的技术开发[J].煤气与热力，2012，32（8）：6-9.

［9］王静玲，马国光，余洋，等.LNG 卫星站冷量利用方案选择［J］．石油化工，2012，31（9）：23-25．

［10］况岱坪，董事尔，杨冲伟，等.LNG卫星站冷能制冰工艺优化及模拟分析［J］．石油与天然气化工，2014，43（2）：140-145．

［11］张叶生.中国LNG工厂及LNG卫星站的发展前景[J]. WORLD OIL & GAS, 2006,(143):28-33.

［12］ 金春旭,潘振,陈保东,等. LNG 卫星站发展状况研究［J］.当代化工，2013，42（5）：584-589.

［13］海华，张同．液化天然气冷能发电[J]．公用科技，1998，4(1)：5-7．

Process Simulation of Ice-making and Power Generation Utilizing Cold Energy From LNG Satellite Station

MENG Long, LU Zhao-xia, HUANG Fu-chuan , HUANG Yi-lin, LIU Yu-heng
（Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology，School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Guangxi Nanning 530004，China）

Due to the existence of rich pressure energy and low temperature energy in LNG, in order to make full use of the existing energy, a suitable way was chosen for the design of cold energy utilization, and the simulation calculation was carried out by the HYSYS software. The results show that the gasification rate of 10×104(m3/d) LNG has about 11 Mt/a ice making capacity, the annual power generation is about 5.92×104kW, compressor power consumption rate is about 5×104kW and the annual output value is about 110 million Yuan, the economic benefit is remarkable.

LNG satellite station；Ice making；Power generation；HYSYS

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）11-2665-03

2015-06-08

孟龙（1988-），男，河南三门峡人，硕士研究生，广西大学化学化工学院制冷及低温工程专业，研究方向：LNG的冷能利用。E-mail：283454438@qq.com。

黄福川（1963-），男，教授，博士，研究方向：石化及可再生能源利用。E-mail：huangfuchuan@gxu.edu.cn。